Las enzimas son catalizadores biológicos esenciales que aumentan la velocidad de las reacciones bioquímicas sin alterarse en el proceso, y su actividad depende de condiciones como pH, temperatura y concentración de sustrato. La especificidad enzimática hace que cada enzima actúe sobre un único tipo de sustrato, y su regulación se puede ver afectada por inhibidores que pueden ser reversibles o irreversibles. Existen diferentes clasificaciones de enzimas según su función y los cofactores o coenzimas que requieren para su actividad.

1. Prof. N. Flores

2. ENZIMAS Catalizadores específicos para las reacciones bioquímicas. Las enzimas son necesarias para que las reacciones bioquímicas: Se produzcan a una velocidad adecuada para la célula Se canalicen hacia rutas que sean útiles en lugar de hacia reacciones colaterales que despilfarren energía Pueda regularse la producción de distintas sustancias según las necesidades

3. PROPIEDADES GENERALES AUMENTAN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN De 10 6 to 10 12 veces vs sin enzima. Aún más rápido que los catalizadores químicos. CONDICIONES DE REACCIÓN Temperatura 25-40 o C (algunas hasta 75 o C) pH neutro (5-9), la mayoría 6.5 – 7.5 Presión atmosférica normal CAPACIDAD DE REGULACIÓN Por concentración de sustrato Por concentración de enzima Por inhibidores competitivos (semejantes al sustrato) Por inhibidores no competitivos (modificación covalente de la enzima) Por regulación alostérica ALTA ESPECIFICIDAD DE REACCIÓN Interacción estereoespecífica con el sustrato No hay productos colaterales

4. Todas las enzimas son proteínas excepto las ribozimas (formadas por RNA sólo o asociado a proteínas) Aumentan la velocidad de reacción hasta por un factor de 10 14 Hay dos características importantes en la catálisis 1.- Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción sin verse alteradas en el proceso, no se modifican en su actuación: E + S ES E + P 2.- Las enzimas no modifican la constante de equilibrio de la reacción

5. Enzimas (son proteínas y pueden ser de dos tipos) Holoproteínas (proteínas simples) Heteroproteínas (proteínas complejas)= HOLOENZIMAS Formados solo por aminoácidos. Son cadenas polipeptídicas con estructura terciaria globular Parte proteica o APOENZIMA Cadenas polipeptídicas formadas por unión de aminoácidos. Parte prostética o COFACTOR Iones metálicos: Fe ++ , Cu ++ , Mg ++ , Zn ++ … Moléculas orgánicas o COENZIMAS: NAD + , NADP + , FAD, FMN, ATP…

6. CÓMO ACTÚAN LAS ENZIMAS Una enzima une la molécula de sustrato de forma específica en una región denominada CENTRO ACTIVO que suele ser un bolsillo o una hendidura que se forma entre las cadenas laterales de los aminoácidos. Estas cadenas: Facilitan la unión del sustrato (especificidad de sustrato) Intervienen en la catálisis (centro catalítico) CENTRO CATALÍTICO : puede incluir también: coenzimas (moléculas orgánicas derivadas de vitaminas) Cofactores (moléculas inorgánicas como iones metálicos) Puede coincidir o no con el centro activo

7. SITIO ACTIVO 1.- Supone una porción relativamente pequeña del volumen total de la enzima 2.- Es una entidad tridimensional 3.- Se unen a los sustratos por fuerzas relativamente débiles 4.- Son hoyos o hendiduras de las que suele quedar excluida el agua, salvo que sea un componente de la reacción 5.- La especificidad del enlace depende de la disposición de los átomos del sitio activo Región que se une al sustrato y contribuye con los residuos que participan en la formación y rotura de enlaces ( grupos catalíticos ) 6.- Está formado por los aa de fijación y los catalíticos que pueden estar muy alejados en la secuencia

8. ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA Especificidad enzimática : es la afinidad que presentan los enzimas por los sustratos, de tal manera que cada enzima actúa sobre un tipo de sustrato y realiza un único tipo de reacción. TIPOS DE ESPECIFICIDAD Especificidad absoluta (isómeros D y L) Especificidad de grupo y enlace Especificidad de clase (enlaces)

9. TEORÍAS PROPUESTAS PARA EXPLICAR LA ACCIÓN ENZIMÁTICA 1894 Fischer propuso la hipótesis de la llave-cerradura 1958 Koshland propuso el modelo del ajuste inducido “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

10. MECANISMO DE ACTIVIDAD ENZIMÁTICA E + S ↔ ES ↔ EP ↔ E + P

11. Propusieron una ecuación de velocidad que explica el comportamiento cinético de las enzimas CINÉTICA ENZIMÁTICA

12. VARIACIÓN DE LA [S]

13. ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN [S] V 0 = V max --------------- [S] + K M Cuando V = V max /2: K M = [S] Para [S] << K M : Vmax v  ----------- [S] K M Para [S] >> K M : v  Vmax  k 2 [E 0 ] Concentración de sustrato, [S] Velocidad, V

14. Cuando: V o = V max Todos los sitios activos están ocupados y no hay moléculas de Enzima libre. K M = [S] Sí... ½ V max K M representa la cantidad de sustrato necesaria para fijarse a la mitad de la Enzima disponible y producir la mitad de la V max K M representa la concentración del sustrato en una célula

15. LA K M ES UN PARÁMETRO DE ACTIVIDAD ENZIMÁTICA La K M es inversamente proporcional con la actividad-afinidad de la enzima. Valor de K M grande, baja actividad-afinidad Valor de K M pequeño, alta actividad-afinidad

16. Moduladores ambientales pH Cada enzima tiene su pH óptimo de actuación

17. Moduladores ambientales Temperatura La velocidad enzimática aumenta con la T hasta un valor crítico en el que la proteína se inactiva por desnaturalización

18. Moduladores ambientales  Fuerza iónica-concentración salina La concentración salina puede llegar a precipitar una proteína e inactivarla

19. Cocatalizadores Algunas enzimas requieren la presencia de una molécula no proteica para la catálisis: son las proteínas CONJUGADAS u HOLOENZIMAS Según la complejidad de la porción no proteica: Cofactor Coenzima Grupo prostético

20. Cocatalizadores

21. Cocatalizadores

22. Cocatalizadores GRUPO PROSTÉTICO

24. Inhibidor Irreversible Inhibición permanente Unión irreversible por medio de enlaces covalentes. Modificaciones químicas de los gps. catalíticos. Modificada la enzima, está siempre inhibida. Para distinguirlo de los reversible se someten a diálisis y si no se separan enzima e inhibidor, éste es permanente.

25. INHIBICIÓN IRREVERSIBLE Algunas sustancias se combinan de forma covalente con las enzimas y las inactivan de manera irreversible. Casi todos los inhibidores enzimáticos irreversibles son sustancias tóxicas (naturales o sintéticas). “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

27. INHIBIDORES REVERSIBLES COMPETITIVOS Unión del Inhibidor al centro activo, el inhibidor compite con el S Aumenta K M No cambia V max “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 K ap = K M (1 + [I] / K I ) M [S] V 0 = V max --------------- [S] + K M ap

28. INHIBICIÓN NO COMPETITIVA El inhibidor NO se une al sitio activo NO se puede revertir con un exceso de sustrato

29. INHIBIDORES REVERSIBLES NO COMPETITIVOS Unión del Inhibidor a un segundo lugar (no al centro activo), el inhibidor no compite con el S: No cambia K M Disminuye V max V ap = V max / (1 + [I] / K I ) Max “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 [S] V 0 = V max --------------- [S] + K M ap

30. REGULACIÓN DE LAS ENZIMAS Después de sintetizadas: Modificación covalente Fijación no covalente de ligandos Inhibición reversible Efectores alostéricos Represión de la expresión genética. Control de la biosíntesis de la enzima.

32. Fosforilasa fosfatasa Fosforilasa quinasa Fosforilasa b (menos activa) Fosforilasa a (más activa) Cadena lateral de Ser 14 Cadena lateral de Ser 14

33. ACTIVACIÓN POR RUPTURA PROTEOLÍTICA (Modificación covalente irreversible) EJEMPLO: Proteasas pancreáticas (tripsina, quimotripsina, carboxipeptidasa) Se sintetizan en el páncreas de forma inactiva denominada zimógeno (mayores que la enzima activa) para evitar que digieran el tejido pancreático. En el intestino se activan por ruptura proteolítica y finalmente son degradadas.

34. ZIMÓGENOS (MODIFICACIÓN COVALENTE IRREVERSIBLE) DEL JUGO GÁSTRICO Y PANCREÁTICO

35. “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002 Autoactivación ACTIVACIÓN DE ZIMÓGENOS POR PROTEOLISIS INHIBIDOR ZIMÓGENOS PROTEASAS PROTEASAS

36. PROCESO EN CASCADA DE LA COAGULACIÓN DE LA SANGRE “ Bioquímica” Mathews, van Holde y Ahern. Addison Wesley 2002

37. - Presentan una cinética sigmoidal, indicativa de efectos cooperativos en la unión del sustrato. - Su actividad está regulada por otras moléculas efectoras. - Pueden mantener las concentraciones de sus sustratos en valores bastante constantes: * Existe una concentración crítica de sustrato ([S]c) por debajo de la cuál la enzima es prácticamente inactiva * Un pequeño aumento de la concentración de sustrato, por encima de la ([S]c, da lugar a un notable aumento de la actividad enzimática - Son proteínas con múltiples subunidades (múltiples centros activos y catalíticos) ENZIMAS ALOSTÉRICAS

38. CONTROL POR RETROALIMENTACIÓN (Negativa) Un aumento de concentración del producto final de una ruta metabólica inhibe una de las primeras reacciones de la ruta (generalmente la primera) A ---> B ---> C ---> D ---> E E actúa como inhibidor del primer enzima . Ello impide: La utilización innecesaria del primer sustrato La acumulación del producto final Se evita la acumulación de intermedios

39. INHIBICIÓN POR RETROALIMENTACIÓN

40. Nomenclatura histórica: SUSTRATO + ACTIVIDAD + SUFIJO(asa) (v.g. gluco quin asa ) SUSTRATO + SUFIJO(asa) (v.g. ure asa ) DONADOR + ACEPTOR + ACTIVIDAD + SUFIJO(asa) (v.g. oxalacetil amino transfer asa ) Nomenclatura IUB (1972): 6 grupos según la reacción catalizada

41. Sin transferencia de hidrógenos OXIDORREDUCTASAS Regulan reacciones REDOX Existen dos tipos esenciales: Con transferencia de hidrógenos Sin transferencia de hidrógenos

42. OXIDORREDUCTASAS Regulan reacciones REDOX Existen dos tipos esenciales: Con transferencia de hidrógenos Sin transferencia de hidrógenos Con transferencia de hidrógenos

43. TRANSFERASAS Transfieren grupos funcionales

44. HIDROLASAS Rotura de enlaces por medio de agua

45. LIASAS Rotura o formación de moléculas sin intervención de agua. Suele producirse adición a dobles enlaces: C=C, C=O, C=N

46. ISOMERASAS Cambio de posición de grupos dentro de la molécula

47. LIGASAS O SINTETASAS Formación de enlaces con rotura de ATP

48. VITAMINAS O DERIVADOS DE VITAMINAS COMO COENZIMAS

49. VITAMINA COENZIMA REACCIÓN o PROCESO TIAMINA (B1) Pirofosfato de tiamina (TPP) Descarboxilación, transferencia de grupos aldehido RIBOFLAVINA (B2) FMN y FAD Oxido- reducciones ÀCIDO NICOTÍNICO, NIACINA (B3) NAD y NADP Oxido-reducciones ÀCIDO PANTOTÉNICO (B5) Coenzima A (CoA) Transferencia de grupos acilos

50. VITAMINA COENZIMA REACCIÓN o PROCESO PIRIDOXINA (B6) Fosfato de piridoxal (PLP) Transferencia de grupos amino BIOTINA (B8) Biocitina Carboxilaciones Transferencia de CO 2 ACIDO FÓLICO (B9) Tetrahidrofolato (TH4) Transferencia de grupos de un solo carbono COBALAMINA (B12) Metilcobalamina Cobamida Transferencia de grupos de un solo carbono